Методика выполнения теплового и 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Методика выполнения теплового и



МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО И

ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТОВ

ДВИГАТЕЛЕЙ

 

 

Рекомендовано к изданию Ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»

 

 

Оренбург


УДК 621.431.018.4(075.8)

ББК 39.35-02я73

М54

 

Рецензент – доцент, кандидат технических наук С.В. Митрофанов

Авторы: С.А. Наумов, Е.В. Хаустова, А.В. Садчиков, В.Ю. Соколов,

Е.В. Фирсова, А.В. Цвяк.

 

М54 Методика выполнения теплового и динамического расчетов двигателей:

учебное пособие/Наумов С.А., Хаустова Е.В., Садчиков А.В.,

Соколов В.Ю.,Фирсова Е.В., Цвяк А.В.; Оренбургский гос.ун-т.-

Оренбург: ОГУ, 2015- 107c.

 

В учебном пособии представлены тематика и варианты заданий к курсовому проекту. Изложены общие требования к объему и содержанию проекта. Приведена примерная последовательность выполнения курсового проекта, некоторый необходимый для работы справочный материал.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника.

 

 

УДК 621.431.018.4(075.8)

ББК 39.35-02я73

 

ã Наумов С.А.,

Хаустова Е.В.,

Садчиков А.В.,

Соколов В.Ю.,

Фирсова Е.В.,

Цвяк А.В., 2014

ã ОГУ, 2014


Содержание

 

1 Классификация и принцип работы двигателей внутреннего сгорания. 7

1.1 Общие сведения и классификация. 7

1.2 Рабочий цикл четырехтактного ДВС.. 14

1.3 Рабочий цикл двухтактного ДВС.. 21

2 Тепловой расчет двигателя на номинальном режиме работы.. 28

2.2 Расчет процессов газообмена. 31

2.3 Расчет процесса сжатия. 37

2.4 Расчет процесса сгорания. 38

2.5 Расчет процесса расширения. 44

2.6 Расчет показателей рабочего цикла двигателя. 46

2.6.1 Индикаторные показатели цикла. 46

2.6.2 Эффективные показатели двигателя. 48

2.6.3 Основные размеры двигателя. 50

2.7 Построение индикаторной диаграммы.. 52

2.7.1 Выбор масштабов. 52

2.7.2 Характерные линии и точки. 53

2.7.3 Построение политроп сжатия и расширения. 55

2.7.4 Скругление индикаторной диаграммы.. 57

3 Кинематика и динамика кшм. 59

3.1 Расчет кинематических параметров КШМ.. 59

3.1.1 Перемещение поршня. 59

3.1.2 Скорость поршня. 60

3.1.3 Ускорение поршня. 62

3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма. 62

3.2.1 Общие сведения. 62

3.2.2 Силы давления газов. 63

3.2.3 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма. 66

3.2.4 Силы инерции. 69

3.2.5 Суммарные силы, действующие в КШМ.. 69

3.2.6 Диаграмма суммарного крутящего момента. 72

4 Пример расчета. 75

4.1 Тепловой расчёт двигателя. 75

4.2 Расчёт процессов газообмена. 77

4.4 Расчёт процесса сгорания. 80

4.5. Расчёт процесса расширения. 84

4.6 Расчёт показателей рабочего цикла двигателя. 85

4.7 Построение индикаторной диаграммы.. 89

5 Кинематика и динамика кшм. 93

5.1 Расчёт перемещения, скорости и ускорения поршня. 93

5.2 Динамический расчёт КШМ.. 97

5.2.1 Общие сведения. 97

5.2.2 Силы давления газов. 97

5.2.3 Приведение масс частей КШМ.. 100

5.2.4. Силы инерции. 102

5.2.5 Суммарные силы, действующие в КШМ.. 103

Список использованных источников. 105

Приложение А (справочное)…….…………………………………………………….104


Введение

Основная цель изучения дисциплины «Тепловые двигатели и нагнетателя» состоит в ознакомлении с теоретическими основами и принципами действия двигателя внутреннего сгорания, компрессоров различных типов, работающих на разнообразных рабочих телах (воздух, кислород, фреон, аммиак и другие газы), насосов и вентиляторов, паровых и газовых турбин, детандеров, используемых в энергетическом хозяйстве промышленных предприятий, конструктивным особенностям этих машин, методами их расчета и конструирования, характерными режимами и технико-экономическими показателями их работы.

Задачи изучения дисциплины определяются на основе требований к знаниям после изучения данного курса:

- сущность и значение процессов, происходящих в цилиндре ДВС при реализации действительного цикла, закономерности и наиболее эффективные методы превращения химической энергии топлива в работу ДВС;

- влияние основных конструктивных, эксплуатационных и атмосферно-климатических факторов на протекание процессов в ДВС и на формирование внешних показателей работы двигателя, современные методы улучшения технико-экономических показателей и характеристик двигателя, основные критерии работы ДВС и общепринятые характеристики;

- получить представление об использовании нагнетателей и тепловых двигателей в различных отраслях народного хозяйства, включая и тепловые электростанции;

- освоить методы расчета основных характеристик машин, позволяющие производить коррекцию характеристик при изменении типоразмеров, условий эксплуатации и т.д.;

- освоить методы конструирования машин по заданным условиям;

- изучить отдельные конструкции гидромашин на примере насосов, вентиляторов, компрессоров, паровых турбин, газотурбинных установок;

- изучить назначение и работу систем регулирования, защиты, маслоснабжения и конденсационных устройств паровых турбин;

В процессе обучения студент приобретает знания по следующим параметрам:

- знать конструктивные особенности различных типов гидромашин, насосов, вентиляторов, компрессоров, паровых турбин, газотурбинных установок, двигателей внутреннего сгорания;

- знать методику расчёта и выбора насосов, вентиляторов для здания заданной площади

- освоить методы конструирования машин по заданным условиям;

- определения допустимой высоты всасывания насоса, мощности для привода компрессора, вентилятора

Курсовой проект включает следующие разделы:

1) расчетную часть:

- тепловой расчет;

- динамический расчет;

- расчет внешней скоростной характеристики;

2) графическая часть

1 лист – индикаторная диаграмма, характеристики двигателя по результатам динамического расчета;

2 лист – кинематика КШМ

 


Исходные данные

В качестве исходных данных для выполнения теплового расчета задается или предварительно выбирается ряд конструктивных и регулировочных параметров двигателя.

1. Назначение двигателя – тракторный, автомобильный.

2. Тип двигателя – двигатель с искровым зажиганием (ДсИЗ), дизельный.

3. Тактность двигателя.

4. Номинальная эффективная мощность Nен, кВт.

5. Номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя nн, мин-1.

6. Число и расположение цилиндров («V» – V-образное; Р – рядное)

7. Тип топливной системы (ТС), таблица 2.1.

Таблица 2.1 - Тип топливной системы

Тип ДВС Тип системы питания
ДсИЗ - карбюраторная; - центральное впрыскивание топлива; - распределенное впрыскивание топлива во впускной трубопровод.

 

 

Продолжение таблицы 2.1

Дизель - непосредственного действия разделенного типа с моноблочным топливным насосом высокого давления (ТНВД); - непосредственного действия разделенного типа с секционным ТНВД; - аккумуляторная с электронным управлением и насос-форсунками.

 

8. Наличие или отсутствие наддува. При наличии наддува указываются:

- его тип (с приводным нагнетателем или с турбокомпрессором);

- наличие или отсутствие промежуточного охлаждения;

- примерное значение степени повышения давления при наддуве (pк).

9. Тип камеры сгорания (КС) (для ДсИЗ) или тип камеры сгорания и способ смесеобразования (для дизелей), таблица 2.2.

 

Таблица2.2- Тип камеры сгорания и тип смесеобразования (для дизелей)

Тип ДВС Тип камеры сгорания
ДсИЗ шатровая (для ДсИЗ с 4 клапанами на цилиндр); полусферическая; клиновая, полуклиновая
Дизель Неразделенные камеры сгорания: объемное смесеобразование; пристеночное смесеобразование; объемно-пристеночное смесеобразование.

 

10. Степень сжатия двигателя e.

Степень сжатия e в первую очередь зависит от способа смесеобразования и рода топлива, а также от быстроходности двигателя, наличия наддува и других факторов.

Для ДсИЗ выбор степени сжатия определяется многими факторами, важнейшими из которых являются: тип ТС, тип камеры сгорания, скоростной режим двигателя, диаметр цилиндра двигателя, октановое число топлива. В зависимости от типа топливной системы ориентировочные значения степени сжатия равны:

распределенное впрыскивание топлива

во впускной трубопровод 8…10,5

центральное впрыскивание топлива и карбюраторная 7…9,5

Для карбюраторных двигателей, работающих на высокооктановых бензинах, степень сжатия выбирается в пределах e = 8,5 – 9,5, а для двигателей, работающих на низкооктановых бензинах, степень сжатия равна e = 7,0 – 8,0. Большие значения e характерны для ДсИЗ с малыми геометрическими размерами цилиндра и большей частотой вращения. При прочих равных условиях большие значения e характерны для шатровых КС, а меньшие – для клиновых и полуклиновых.

Для дизелей важнейшими факторами являются: тип КС и способ смесеобразования, частота вращения, наличие или отсутствие наддува, размеры цилиндра. В зависимости от типа топливной системы, способа смесеобразования и скоростного режима степень сжатия находится в следующих пределах:

двигатели без наддува

объемно-пристеночное смесеобразование

n = 1800…2600 мин-1 16…18

пристеночное смесеобразование

n = 1800…2600 мин-1 17…19

аккумуляторная ТС с насос-форсунками

n = 3000…4000 мин-1 20…22

двигатели с наддувом

неразделенные КС, pк < 1,90 n = 1800…2400 мин-1 14…16

неразделенные КС, pк = 1,90…2,5 n = 1700…2200 мин-1 13…15

11. Состав смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха a.

Для различных двигателей на номинальном режиме работы коэффициент избытка воздуха a принимается равным:

карбюраторные 0,85…0,95;

с впрыском легкого топлива и трехкомпонентным

нейтрализатором отработавших газов 1,0;

дизели с объемным или

объемно-пристеночном смесеобразованием 1,50…1,60;

дизели с пристеночным смесеобразованием 1,45…1,55.

Для дизелей с наддувом значение a должно быть увеличено на 0,2…0,3 единицы по сравнению с аналогичным безнаддувным вариантом.

12. Топливо.

Состав топлива и его теплота сгорания принимаются по таблице 2.3.

Таблица 2.3- Средний элементный состав топлив и их теплота сгорания

Жидкое топливо Содержание, кг Низшая теплота сгорания Qн, кДж/кг
С Н От
Бензин 0,855 0,145 -  
Дизельное топливо 0,870 0,126 0,004  

 

Расчет процессов газообмена

Параметры заряда на впуске

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае в качестве параметров исходного состояния заряда на впуске принимаются давление и температура окружающей среды, соответственно равные рк = ро = 0,1 МПа и Тк = То = 293 К.

При расчете рабочего цикла двигателя с наддувом за исходные параметры принимаются давление рк и температура Тк на выходе из компрессора, а при наличии промежуточного холодильника – за холодильником.

В зависимости от степени наддува принимаются следующие значения давления рк, МПа наддувочного воздуха:

при низком наддуве до 1,5ро;

при среднем наддуве (1,5…2,2)ро;

при высоком наддуве (2,2…2,5)ро.

В настоящее время на двигателях тракторов и автомобилей используется низкий или средний наддув.

Температура воздуха после компрессора Тк, К:

 

, (2.1)

 

где nк – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.

 

В зависимости от типа компрессора значение nк принимают:

для поршневых нагнетателей 1,4…1,6;

для объемных нагнетателей 1,55…1,75;

для осевых и центробежных нагнетателей 1,4…2,0.

Для газотурбинного наддува в автотракторных дизелях принимают последнее ближе к нижнему пределу.

Плотность заряда на впуске:

 

, кг/м3, (2.2)

 

где R – газовая постоянная, для воздуха Rв = 287 Дж/(кг × К).

Исходные данные для расчета процессов газообмена

Давление остаточных газов рr (МПа) определяется сопротивлением среды, в которую происходит выпуск отработавших газов, зависит от числа и расположения клапанов, фаз газораспределения, частоты вращения, нагрузки и других факторов.

Для двигателей без наддува на номинальном режиме работы:

 

prн = (1,05…1,25) ро. (2.3)

 

В двигателях с наддувом и наличием газовой турбины на выпуске:

 

prн = (0,75…0,98) рк. (2.4)

 

Большие значения pr принимают для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала.

Температура остаточных газов.

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха устанавливается значение температуры Tr (К) остаточных газов в пределах:

для ДсИЗ 900…1100 К;

для дизелей 700…900 К.

Следует иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения – возрастает.

Температура подогрева свежего заряда.

Степень подогрева свежего заряда зависит от конструкции впускного трубопровода, наличия специального устройства для подогрева, частоты вращения, наддува и других факторов. На номинальном режиме работы значения ΔТн принимают:

для ДсИЗ 0…20;

для дизелей без наддува 10…40;

для двигателей с наддувом (-5) – 10.

Меньшие значения ΔТн соответствуют ДсИЗ с распределенным впрыскиванием, а также двигателям с большей частотой вращения коленчатого вала.

Температура в конце впуска

Температура в конце впуска Та определяется по выражению:

 

. (2.8)

 

Величина Та согласно статистическим данным при работе на номинальном режиме должна быть в пределах:

для карбюраторных ДсИЗ 325…360 К;

для ДсИЗ с распределенным впрыскиванием

топлива во впускной трубопровод 310…340 К;

для дизелей без наддува 310…350 К;

для дизелей с наддувом 330…400 К.

Меньшие значения относятся к быстроходным двигателям.

Коэффициент наполнения

Для четырехтактных двигателей коэффициент наполнения hv с учетом дозарядки цилиндра равен:

 

. (2.9)

 

Значения коэффициента наполнения hv для различных типов автомобильных и тракторных двигателей при их работе на номинальном режиме находятся в пределах:

для карбюраторных ДсИЗ 0,75…0,82;

для ДсИЗ с распределенным впрыскиванием

топлива во впускной трубопровод 0,80…0,90;

для дизелей без наддува 0,82…0,92;

для дизелей с наддувом 0,85…0,97.

Расчет процесса сжатия

Давление рс (МПа) и температура Тс (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы:

 

, (2.10)

 

, (2.11)

 

где n1 – показатель политропы сжатия.

При выборе значения n1 следует руководствоваться следующими сведениями:

1. Величина n1 возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого вала вследствие уменьшения времени теплообмена со стенками, повышения температуры деталей цилиндропоршневой группы, а также из-за уменьшения утечек заряда.

2. Меньшие значения n1 характерны для двигателей с поршнями и головками цилиндров из алюминиевых сплавов, которые обеспечивают более интенсивную теплопередачу.

3. Величина n1 больше в двигателях с большими геометрическими размерами, а также в двигателях с шатровыми и полусферическими камерами сгорания, так как они имеют меньше относительную поверхность охлаждения (Fпов/Vh).

4. С увеличением степени сжатия e средний показатель политропы сжатия n1 уменьшается, так как, во-первых, повышается температура рабочего тела и увеличивается отвод теплоты от него, во-вторых, увеличиваются утечки рабочего тела через зазоры в цилиндропоршневой группе вследствие увеличения давления, в-третьих, увеличивается относительная поверхность охлаждения (Fпов/Vh).

Ориентировочные значения показателя политропы сжатия и параметров конца процесса сжатия приведены в таблице 2.4.

 

Таблица 2.4- Параметры конца сжатия для различных двигателей

Двигатели Параметры
n1 рс, МПа Тс, К
ДсИЗ 1,34…1,38 1,2…2,0 650…850
Дизели без наддува n = 1800…2600 мин-1 1,34…1,37 3,5…5,5 750…950
Дизели без наддува n = 3000…4500 мин-1 1,36…1,39 4,0…6,5 850…1150
Дизели с наддувом 1,32…1,37 5,5…9,0 800…1100

Расчет процесса сгорания

Расчет процесса расширения

Предполагают, что расширение происходит по политропному процессу со средним показателем политропы n2. При выборе значения показателя политропы расширения n2 следует руководствоваться следующими сведениями:

1. Чем сильнее догорание на линии расширения, чем ниже величина коэффициента использования теплоты x, тем меньше величина n2 и, наоборот.

2. Для двигателей с большей частотой вращения коленчатого вала характерны меньшие значения n2, так как, несмотря на увеличение скорости сгорания смеси при увеличении частоты вращения, большая доля топлива сгорает на линии расширения.

3. При прочих равных условиях большие значения n2 характерны для двигателей с поршнями и головками цилиндров из алюминиевых сплавов, которые обеспечивают более интенсивную теплопередачу.

4. Уменьшение относительной поверхности охлаждения (Fпов/Vh) уменьшает теплоотдачу от рабочего тела к стенкам, поэтому для двигателей с большими геометрическими размерами (большим диаметром цилиндра при том же отношении S/D), а также для двигателей с низкими значениями степени сжатия e характерны меньшие значения n2.

Степень последующего расширения d для дизелей определяется по выражению:

. (2.38)

 

Значения давления рb (МПа) и температуры Тb (К) в конце процесса расширения определяются по формулам политропного процесса.

двигатель с искровым зажиганием:

 

, ; (2.39)

 

дизельный двигатель:

 

, . (2.40)

 

Возможные значения параметров конца процесса расширения для номинального режима работы представлены в таблице 2.6.

 

Таблица 2.6- Параметры конца процесса расширения

Двигатели Параметры
n2 рb, МПа Тb, К
ДсИЗ 1,23…1,30 0,35…0,60 1200…1700
Дизельные 1,18…1,28 0,20…0,50 1000…1200

 

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов осуществляется по формуле:

. (2.41)

 

Погрешность составляет:

 

, (2.42)

 

где Trp и Trnp – соответственно расчетная и принятая температура остаточных газов.

Значение расчетной температуры остаточных газов может отличаться от выбранной ранее не более чем на 5%. Если это отклонение больше, то необходимо изменить заданные значения Tr и pr и повторить расчет.

Основные размеры двигателя

Рабочий объем цилиндра:

 

, л (дм3), (2.52)

 

где t – тактность, для четырехтактных двигателей t = 4,

для двухтактных t = 2;

i – число цилиндров;

Neн, peн, nн – соответственно эффективная мощность (кВт), среднее эффективное давление (МПа), частота вращения коленчатого вала (мин-1) на номинальном режиме работы двигателя.

Диаметр цилиндра:

 

, мм, (2.53)

 

где y – отношение хода поршня к диаметру цилиндра.

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра y может находиться в следующих пределах:

для двигателей с искровым зажиганием 0,8…1,05;

для автомобильных дизелей 0,9…1,2;

для тракторных дизелей 1,1…1,3.

Полученное значения D округляется до ближайшего целого значения.

Ход поршня:

 

S = D × y. (2.54)

 

Уточняется значение средней скорости поршня uп.ср и сравнивается с ранее принятым значением. Если разность составит более 10%, то необходимо повторить расчет с новым значением uп.ср.

Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям D и S.

Рабочий объем цилиндра:

 

, л. (2.55)

 

Эффективная мощность двигателя:

 

, кВт. (2.56)

 

Эффективный крутящий момент:

 

, Н × м. (2.57)

 

Часовой расход топлива:

 

G т = Ne × ge,, кг/ч. (2.58)

 

Результаты расчетов индикаторных показателей рабочего цикла, эффективных показателей двигателя и его параметров заносятся в сводную таблицу.

Выбор масштабов

Индикаторная диаграмма (рисунок 2.1, 2.2) строится для номинального режима работы двигателя на основании данных, полученных в тепловом расчете. При этом по оси ординат откладывается давление в абсолютных единицах (МПа), а по оси абсцисс – объем (л). Кроме того, ось абсцисс косвенно характеризует ход поршня (мм).

Масштаб по оси абсцисс для хода поршня МS (мм хода/мм диаграммы) рекомендуется принимать следующим:

для S > 80 мм МS = 1,00 ммх/ммд;

для S < 80 мм МS = 0,50 ммх/ммд.

Рисунок 2.1- Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя.

Рисунок 2.2. Индикаторная диаграмма дизеля.

 

Масштабы давлений рекомендуется выбирать следующими:

 

Мр = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05 МПа/мм. (2.59)

 

Причем масштабы построения диаграммы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту (давление) диаграммы в 1,2…1,7 раза больше ее основания.

Характерные линии и точки.

1. Параллельно оси ординат на расстоянии ОА от начала координат провести линию, определяющую положение поршня в ВМТ.

Отрезок ОА соответствует объему камеры сгорания Vс:

 

, так как , (2.60)

 

где Fп – площадь поршня,

отрезок Sc, характеризующий объем камеры сгорания будет равен:

 

. (2.61)

 

С учетом масштаба отрезок ОА равен:

 

. (2.62)

 

2. От точки А откладывается отрезок АВ, эквивалентный ходу поршня:

 

(2.63)

 

Через точку В, определяющую положению поршня в НМТ, провести линию параллельно оси ординат.

Таким образом, отложив на оси абсцисс отрезки ОА и АВ, получатся точка А, соответствующая объемам Vr, Vc, Vz и точка В, соответствующая объемам Va и Vb.

3. Для дизеля от точки А откладывается отрезок z¢z, эквивалентный объему цилиндра Vz после предварительного расширения:

 

z¢z = ОА × (r - 1). (2.64)

 

4. По оси ординат в масштабе откладывается давление окружающей среды ро и перпендикулярно этой оси проводится линия, соответствующая отложенному давлению.

5. В ВМТ откладываются величины давлений в характерных точках r, с, z или , полученные в ходе теплового расчета двигателя:

Аr = рrр, мм; (2.65)

Ас = рср, мм; (2.66)

Аz = рzр, мм. (2.67)

6. В НМТ наносятся точки а и b, соответствующие давлениям ра и рb:

 

Bа = рар, мм; (2.68)

Вb = рbр, мм. (2.69)

 

Соединив прямыми линиями точки с и z (для ДсИЗ) или сz (для дизеля), а также bа получают соответственно процессы изохорного или изохорного и изобарного подводов теплоты, а также изохорного отвода теплоты.

Кинематика и динамика КШМ

Перемещение поршня

Перемещение поршня Sх (м) в зависимости от угла поворота коленчатого вала двигателя с центральным кривошипно-шатунным механизмом:

, (3.1)

 

где j – угол поворота кривошипа, отсчитываемый от оси цилиндра, при j = 0 поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ); λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, λ = R/L ш.

Известно, что с увеличением λ (за счет уменьшения L ш) происходит повышение инерционных и нормальных сил, но при этом уменьшается высота двигателя и его масса.

Используя выражение (3.1) аналитическим путем определяются значения перемещения поршня от ВМТ до НМТ для ряда промежуточных значений j (в зависимости от необходимой точности через каждые 10 о, 15 о или 30о) и строится кривая S = f (j), пример которой представлен на рисунке 3.1, а.

Скорость поршня

Скорость движения поршня υ п (м/с) является величиной переменной и при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит только от изменения угла поворота кривошипа и отношения λ. Скорость поршня определяется по выражению:

 

, (3.2)

 

где ω – угловая скорость кривошипа, рад/с. .

Средняя скорость поршня, м/с: .

Рисунок 3.1- Кинематические характеристики КШМ.

а – перемещение поршня, б – скорость поршня, в – ускорение поршня.

Максимальная скорость поршня зависит от величины λ и соответствует 74 о-77о ПКВ от ВМТ:

 

. (3.3)

 

Отношение υ п.max к υ п.ср при λ = 0,24…0,31 составляет 1,62…1,64.

График скорости поршня (рисунок 3.1, б) строится на основании результатов расчетов по формуле 3.2 для нескольких промежуточных значений φ.

Ускорение поршня

Ускорение поршня j п (м/с2) при постоянной частоте вращения коленчатого вала двигателя определяется по выражению:

 

j п = ω 2 R (сos φ + λ сos2 φ). (3.4)

 

Максимальное значение ускорения поршня достигается при φ = 0о:

 

j max = ω 2 R (1 + λ). (3.5)

 

Минимальное значение ускорения поршня:

при λ < 0,25 в точке φ = 180о j min = – ω 2 R (1 – λ); (3.6)

при λ > 0,25 в точке φ = . (3.7)

С помощью уравнения (3.4) аналитическим путем определяются значения ускорения поршня для ряда значений угла φ в интервале φ = 0…360о и строится кривая j = f (φ) – рисунок 3.1, в.

Общие сведения

Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме двигателя, можно разделить на силы давления газов в цилиндре, силы инерции, давление на поршень со стороны картера (приблизительно равное атмосферному давлению) и силы тяжести (в динамическом расчете не учитывают). Силы инерции движущихся масс КШМ, в свою очередь, разделяются на силы инерции масс, движущихся возвратно-поступательно (индекс j) и силы инерции вращательно-движущихся масс (индекс r).

В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для определения характера изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют через каждые 10 о, 15 о или 30о ПКВ в зависимости от точности выполняемых расчетов.

Силы давления газов

Силы давления газов определяются для каждого угла поворота коленчатого вала (величина приращения угла ПКВ ∆ φ = 10о) по свернутой индикаторной диаграмме путем перестроения ее в развернутую по методу профессора Ф.А. Брикса.

Первоначально определяется поправка Брикса в масштабе:

 

, (3.8)

 

где R – радиус кривошипа, мм; М S – масштаб хода поршня на свернутой индикаторной диаграмме, ммх/ммд.

Под свернутой индикаторной диаграммой из точки О, соответствующей половине хода поршня строится вспомогательная полуокружность радиусом (рисунок 3.2). Далее от центра полуокружности (т. О) в сторону НМТ откладывается значение поправки Брикса DБ в масштабе (т. О¢). Из точки О проводятся лучи, которые делят полуокружность на несколько равных частей (например, 12); параллельно этим лучам из центра Брикса проводятся отрезки: О¢1, О¢2, О¢3 и т.д. Точки, полученные на полуокружности, соответствуют определенным углам поворота коленчатого вала φ развернутой индикаторной диаграммы. Из указанных точек 1, 2, 3 и т.д. восстанавливаются перпендикуляры до линий впуска, сжатия, расширения и выпуска. Отрезки вертикальных линий от оси абсцисс до соответствующих линий индикаторной диаграммы отображают абсолютное давление газов в цилиндре двигателя для конкретного рассматриваемого положения коленчатого вала.

Справа от индикаторной диаграммы строится координатная сетка для всех сил, которые должны быть развернуты в координатах рj.

Реальное усилие на поршень создают газы с избыточным давлением, так как атмосферное давление в цилиндре уравновешивается атмосферным давлением, действующим со стороны картера. Поэтому на развернутой индикаторной диаграмме ось абсцисс совпадает с линией атмосферного давления. Таким образом, развернутая индикаторная диаграмма представляет собой зависимость избыточного давления газов р г от угла поворота коленчатого вала:

 

р г = р цр 0. (3.9)

 

Масштаб угла ПКВ принимается равным Мj = 2,0 град ПКВ/мм. Ось абсцисс делится на равное количество частей k = 720/ Dj, (например, если Dj = 15о, то k = 48) и через полученные точки проводятся вертикальные линии.

Развертку индикаторной диаграммы начинают от ВМТ в процессе впуска. При этом если полуокружность под свернутой индикаторной диаграммой была разбита на 12 частей, то точка 1 луча О¢1 соответствует 15о угла ПКВ на развернутой индикаторной диаграмме, точка 2 – 30о угла ПКВ, точка 3 – 45о угла ПКВ и т.д. до 12 точки соответствующей 180о угла ПКВ. Для процесса сжатия точка 11 соответствует 195о угла ПКВ, точка 10 – 210о угла ПКВ, точка 9 – 225о угла ПКВ и т.д.

На свернутой индикаторной диаграмме для определенного положения кривошипа коленчатого вала определяется длина отрезка от линии атмосферного давления до линии рассматриваемого процесса (впуска, сжатия, расширения или выпуска), а затем отрезок переносится на развернутую диаграмму и откладывается на вертикали соответствующего угла поворота коленчатого вала. Полученные точки индикаторной диаграммы соединяются сплошной линией.

Сила давления газов на поршень Р г = р г × F п имеет тот же характер протекания, что и давление газов р г.

 

 

Рисунок 3.2
- Индикаторная диаграмма

 

По развернутой индикаторной диаграмме через каждые 15о угла поворота кривошипа определяются значения р г, которые заносят в гр. 2 сводной таблицы динамического расчета КШМ 3.1.

 

Таблица3.1- Динамический расчет КШМ двигателя

j, град р г, МПа pj, МПа р å, МПа р N, МПа р S, МПа р K, МПа р T, МПа М кр.ц, Н × м
                 
                 
                 
                 
                 
               
                 

 

Силы инерции

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс:

 

P j = – m j × j. (3.10)

 

Для построения кривой изменения силы инерции в зависимости от угла поворота коленчатого вала, необходимо определить удельную силу инерции, МПа:

 

. (3.11)

 

Результаты расчета удельной силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс для тех же положений кривошипа (углов j), для которых определялись р г, занести в таблицу 3.1.

Пример расчета

Тепловой расчёт двигателя

Исходные данные

Задание на курсовой проект, включает в себя следующие данные:

1. Назначение двигателя - тракторный

2. Тип двигателя – дизельный

3. Тактность двигателя 4Х

4. Номинальная эффективная мощность , кВт 109

5. Номинальная чистота вращения коленчатого вала, мин-1 2100

6. Число, расположение цилиндров 4Х, рядный

 

Для построения в дальнейшем теоретической, скоростной характеристики двигателя и анализа влияния частоты вращения коленчатого вала на эффективные показатели двигателя, необходимо провести тепловой расчёт двигателя для нескольких режимов в диапазоне от



Поделиться:


Читайте также:




Последнее изменение этой страницы: 2017-02-22; просмотров: 428; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.198.57.9 (0.237 с.)